PÕHIPAKKUMINE

Uued materjalikonstruktsioonid on hädavajalikud, et saavutada energia muundamise ja salvestamise süsteemide fundamentaalsed edusammud. Mõlemad on olulised globaalse soojenemise leevendamiseks, mis nõuab energia lisamise võimalust, mis ei sõltu keskkonnakahjulikest põletuskütustest.

Me pakume kvantpiiratud, aatomiarhitektuuriga materjale energiasalvestussüsteemide tulemuste parandamiseks niširakendustes, kus oluline nõue on kergus, soojus- ja kiirguskindlus, kõrge jõudlus ja pikaealisus koos väikese mahuga materjalidega.

AATOMILISELT ARHITEKTUURERITUD ENERGIA SALDUSTAMISMATERJALID

Kaasaegses aku/energia salvestamise tehnoloogias kannatavad räni(Si)-põhised elektroodid tohutute mahumuutuste all litiseerimis-/delitiatsiooniprotsesside käigus. Selle tulemuseks on räni nanostruktuuride purunemine ja sellest tulenevalt akude tsükliliste omaduste lühenemine.

Siliceen karbiid (SixC) on kõige korrosioonikindlam keraamika, mis suudab säilitada oma tugevuse kuni 1400 °C (2552 °F). Nanostruktuuri ja aatomiarhitektuuriga kujul on SixC üsna kõva, säilitades oma struktuuri ka pärast pikka tsüklilisust. 

Nanostruktuurne SixC, mida kasutatakse anoodimaterjalina liitiumioonakudes (LIB), on väga stabiilne tsükliliselt, hea võimekusega ja madala impedantsiga. Mida väiksem on atomaarselt struktureeritud materjali suurus, seda suurem on selle pinge/pinge taluvus. See minimeerib pulbrilisatsiooni ja pikendab selliste aatomiarhitektuuriga materjalide sisaldavate akude tsüklilist eluiga.

Aatomiarhitektuuriga SixC nanotorusid saab kasutada kõrge temperatuuriga mikro-ultrakondensaatorites, mille puhul uuringud on näidanud, et need on erakordselt stabiilsed ja pika elueaga. 

Nanotehnoloogia on see vastupidine valdkond, kus suurema funktsionaalsuse saavutamiseks on vaja vähem materjali, sest pindala suureneb märkimisväärselt, kui suurus miniatuurseks muutub. Selliste suure pindalaga materjalide abil, eriti kvantkoguste vahemikus (< 200 Å), on võimalik saavutada suure jõudlusega, vastupidavaid ja kergeid süsteeme, kasutades väga vähe kvantmaterjali. Aatomiarhitektuur on meie materjalide projekteerimis- ja tootmisprotsessides sisalduv täiendav samm, et suurendada nii kvantmaterjalide funktsionaalsust kui ka keskkonnasõbralikkust, muutes seega nende kasutusvõimalusi tõhusamaks ja mitmekülgsemaks. Edusammude peamine eesmärk seisneb materjali energiatiheduse, mitte selle mahu suurendamises.

KVANT DOMEEN

Aatomiarhitektuursete nanomaterjalide kvantrežiimis tehtavad edusammud ei seisne mahu suurendamises. Kvantdomeenides saavutatakse edu pigem pindala ja sellest tulenevalt materjali jõudluse, mitte aga materjali koguse suurendamise kaudu. See toimub arusaamisega, kuidas paigutada rohkem aatomeid 

ümber materjali pinna tööväljas. Pindala ja mahu suhte suurendamine, nagu kvantmaterjalide puhul, parandab nii energia- kui ka võimsustihedust elektrokeemiliselt aktiivse pindala suurenemise ja transpordipikkuse vähenemise tõttu. Vähem on rohkem: Tegemist on kooskõlastamata aatomi toore energia ärakasutamisega, mis on avatud olulisteks kasutusvõimalusteks. 

Kvantidega piiratud materjalid pakuvad võimsamat tööplatvormi, kus töö tegemiseks on vaja vaid vähe materjali. Selliste materjalidega saavutate väiksemad, kergemad, kuid samas vastupidavad ja oluliselt tõhusamad vastupidavad seadmed, sest kvantmaterjalide mõõtmed on liiga väikesed (< 200 Å), et võimaldada lahtiseid mikromehaanilisi deformatsiooni- ja murdumisprotsesse, parandades seega nende tsükli kestvust. 

Kvantmaterjalide valdkond kujutab endast tänapäeval tööstuslikult kõige vähem uuritud, kuid samas kõige ihaldusväärsemat materjali valdkonda nanotehnoloogia arendamiseks. Samuti on neid materjale kõige keerulisem toota, rääkimata nende suurendamisest, et katta tööstuslik nõudlus. NANOARC on selle takistuse ületanud ja pakub seetõttu järgmise põlvkonna akutehnoloogiate parandamiseks kvantmaterjale, mis on aatomiarhitektuuriga nanomaterjalid. 

QUANTUM OSAKESTE SUURUS ON OLULINE

A nanoparticle has to be able to prohibit the formation of grain boundaries. At a size of 100 Å, only one or two dislocations can fit inside a grain. In most materials this means particles well below 100 Å, as at larger nanoparticle sizes, secondary grain boundaries start to emerge. For example, in materials like SnOx, the critical size for grain boundary emergence is 70 Å.

Miks on see suurus kriitiline?

Terade piirid on kahemõõtmelised defektid kristallstruktuuris, mis kipuvad vähendama materjali elektri- ja soojusjuhtivust. Enamik terade piire on korrosiooni alguse jaoks eelistatavad kohad.

Terade piirid on dislokatsioonide jaoks ületamatud piirid ja dislokatsioonide arv nanoosakese sees mõjutab seda, kuidas pinge koguneb külgnevasse tera, aktiveerides lõpuks dislokatsiooniallikad ja võimaldades seega deformatsiooni ka naaberterades.

Nanoosakeste suurust vähendades saab mõjutada tera piirile kuhjuvate dislokatsioonide arvu ja suurendada selle voolavuspiiri, st maksimaalset pinget, mida nanoosake talub enne deformatsiooni algust.

Selle kriitilise suuruse näide on SnOx, mis on akude jaoks enim uuritud anoodimaterjal. Bohri raadiusega ~ 27 Å tähendab see, et alla 50 Å läbimõõduga kvantpiirdega SnOx oleks kõige sobivam SnOx-põhiste anoodide jaoks, et suurendada vastupidavust deformatsioonile/pulbristamisele ja tagada aku märkimisväärselt pikk kasutusiga.